CN110283696B - 一种基于复合微腔阵列的捕获芯片及其捕获方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于复合微腔阵列的捕获芯片，包括：至少一个复合微腔(2)，每一所述复合微腔(2)包括第一捕获微孔(3)和第二捕获微孔(4)，所述第一捕获微孔(3)和所述第二捕获微孔(4)具有不同尺寸；流体通道(9)，用于供第一捕获目标悬液(12)或第二捕获目标悬液(14)流入并通往所述复合微腔(2)，以通过所述第一捕获微孔(3)捕获所述第一捕获目标悬液(12)中的具有第一预设值的第一捕获目标(17)，并且，通过所述第二捕获微孔(4)捕获所述第二捕获目标悬液(14)中的具有第二预设值的第二捕获目标(18)。通过复合微腔中不同尺寸的捕获微孔配对捕获单细胞和单微球，进而应用于单细胞分析。

Description

一种基于复合微腔阵列的捕获芯片及其捕获方法
技术领域
本发明涉及芯片器件领域，具体涉及一种基于复合微腔阵列的捕获芯片及其捕获方法。
背景技术
传统分析方法研究多个细胞，无法获取与疾病诊疗等相关的生物学信息，分析单个细胞具有重要意义。然而，单细胞分析往往需要具有唯一性的功能性微球来获取单细胞的信息，细胞裂解后的内容物与微球杂交，洗脱后可进行测序等分析。微球也可作为药物载体，测定单细胞的药物响应。因此，快速高效地捕获单细胞和功能性微球，实现单细胞与单微球的高效率配对捕获至关重要。
目前的捕获配对方法主要基于微流控芯片和微腔阵列芯片。其中微流控芯片可分为两种：一种是通过设计精细的结构，实现对单细胞和单微球的捕获配对，另外一种是通过生成油包水液滴捕获细胞和微球。前一种方法单细胞和微球的捕获配对方法率高，但结构设计复杂，成本高，不易操作。而油包水的液滴，操作简单，通量高，但其单细胞和单微球的配对率低。使用弹性微球，设计通道的直径小于微球的直径，对单个微球的包裹率即使达90％以上，其配对包裹率仍低于30％。单细胞微腔通过刻蚀与微球直径相当的微腔，通入细胞悬液，由于微球直径大于细胞直径，单个微腔中可能捕获多个细胞，通过稀释细胞悬液，可以改善该情况，但由于泊松分布的限制，微腔利用率低，单细胞和单微球的配对捕获率低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种基于复合微腔阵列的捕获芯片及其捕获方法，利用细胞和微球间的尺寸差异，设计复合微腔结构，使其捕获微孔对单细胞和单微球进行高效率的特异性配对捕获。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明一方面提供一种基于复合微腔阵列的捕获芯片，包括：至少一个复合微腔2，每一复合微腔2包括第一捕获微孔3和第二捕获微孔4，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4具有不同尺寸；流体通道9，用于供第一捕获目标悬液12或第二捕获目标悬液14流入并通往复合微腔2，以通过第一捕获微孔3捕获第一捕获目标悬液12中的具有第一预设值的第一捕获目标17，并且，通过第二捕获微孔4捕获第二捕获目标悬液14中的具有第二预设值的第二捕获目标18。
可选地，第一捕获微孔3设置在第二捕获微孔4下方，第二捕获微孔4的尺寸大于第一捕获微孔3的尺寸。
可选地，复合微腔2还包括储液区11，储液区11设置在第一捕获微孔3和第二捕获微孔4的上方，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4互不连通，储液区11的尺寸大于第一捕获微孔3以及第二捕获微孔4的尺寸。
可选地，复合微腔2还包括连接通道5，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4通过连接通道5连通，第二捕获微孔4的尺寸大于第一捕获微孔3的尺寸，且第二捕获微孔4的深度大于第一捕获微孔3的深度，连接通道5的尺寸小于第一捕获微孔3的尺寸。
可选地，第一捕获微孔3的尺寸与第一捕获目标17的尺寸之间的差值或第二捕获微孔4的尺寸与第二捕获目标18的尺寸之间的差值在预设范围内。
可选地，至少一个复合微腔2形成复合微腔阵列1，复合微腔阵列1中的复合微腔2为并列排布或六角排布。
可选的，捕获芯片包括盖片6，盖片6包括有流体入口7、流体出口8和支撑结构10，支撑结构10用于支撑盖片6，使得盖片6覆盖在复合微腔2上，并使得盖片6和复合微腔2之间形成流体通道9。
可选地，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4的尺寸为10-500μm。
可选地，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4的截面形状为圆形或者n边形，n≥3。
本发明另一方面提供一种根据上述基于复合微腔阵列的捕获芯片的捕获方法，包括：S1，通入第一捕获目标悬液12和第二捕获目标悬液14中的一种悬液；S2，通入缓冲液13，以使得第一捕获微孔3或第二捕获微孔4捕获一种悬液中的捕获目标；S3，通入第一捕获目标悬液12和第二捕获目标悬液14中的另一种悬液；S4，通入反应试剂15，以使得第一捕获微孔3或第二捕获微孔4捕获另一种悬液中的捕获目标；S5，通入矿物油16并充满所述流体通道9。
(三)有益效果
本发明提供的基于复合微腔阵列的捕获芯片及其捕获方法，具有以下有益效果：
(1)本发明中的基于复合微腔阵列的捕获芯片的结构具有简单，便于操作，通量高，易集成，体积小，成本低的优点。
(2)通过在复合微腔中设置不同尺寸的捕获微孔，实现单细胞和单微球之间的高效率的特异性配对捕获，使具有唯一标签的微球吸附上单细胞的信息。
(3)通过提供了一种基于复合微腔阵列的捕获芯片，该芯片可广泛应用于单细胞分析，如核酸扩增，蛋白质表达、单细胞测序、细胞之间的相互作用及细胞对药物的响应等研究。
附图说明
图1示意性示出了本发明第一实施例提供的一种基于复合微腔阵列的捕获芯片；
图2A示意性示出了本发明第一实施例提供的复合微腔阵列的俯视图；
图2B示意性示出了本发明第一实施例提供的复合微腔阵列的捕获芯片的俯视图；
图2C示意性示出了本发明第一实施例提供的一种复合微腔结构图；
图2D示意性示出了本发明第一实施例提供的一种复合微腔结构图；
图2E示意性示出了本发明第一实施例提供的一种复合微腔结构图；
图3示意性示出了本发明第二实施例提供的捕获芯片的捕获方法流程图；
图4示意性示出了本发明第二实施例提供的单细胞和单微球捕获并配对的示意图；
图5示意性示出了本发明第二实施例提供的单细胞和单微球捕获并配对的示意图；
图6示意性示出了本发明第二实施例提供的单细胞和单微球捕获并配对的示意图。
附图标记说明：
1-复合微腔阵列；2-复合微腔；3-第一捕获微孔；4-第二捕获微孔；5-连接通道；6-盖片；7-流体入口；8-流体出口；9-流体通道；10-支撑结构；11-储液区；12-第一捕获目标悬液；13-缓冲液；14-第二捕获目标悬液；15-反应试剂；16-矿物油；17-第一捕获目标；18-第二捕获目标。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明第一实施例示出了一种基于复合微腔阵列的捕获芯片，参阅图1，结合图2A-2E，该捕获芯片包括：
复合微腔阵列1，复合微腔阵列1包含至少一个复合微腔2，每一复合微腔2包括一个第一捕获微孔3和第二捕获微孔4，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4具有不同尺寸。将细胞捕获微孔的尺寸设置为小于微球捕获微孔的尺寸。
流体通道9，流体通道9用于供第一捕获目标悬液12和第二捕获目标悬液14流入并通往复合微腔2。捕获芯片还包括盖片6和支撑结构10，支撑结构10用于支撑盖片6，使得盖片6覆盖在复合微腔2上，并使得盖片6和复合微腔2之间形成流体通道9。
复合微腔阵列1的基片材料可以为玻璃、硅片、二氧化硅、医用不锈钢、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、环烯烃类共聚物(cyclic olefin copolymer，COC)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)，这里不对复合微腔阵列1的基片材料进行具体限制。
盖片6的材料可以为玻璃、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、环烯烃类共聚物(cyclic olefincopolymer，COC)、聚碳酸脂(polycarbonate，PC)，这里不对盖片6的材料进行具体限制。
制作复合微腔阵列1的基片和盖片6的工艺包括光刻、刻蚀、热压印，这里不对制作工艺进行具体限制。
复合微腔阵列基片1和盖片6的密封可采用等离子体键合、热键合、环氧树脂、紫外固化胶、胶带进行可逆或不可逆密封，在此不对密封方法做具体限制。
第一捕获微孔3的尺寸与第一捕获目标17的尺寸之间的差值或第二捕获微孔4的尺寸与第二捕获目标18的尺寸之间的差值在预设范围内。第一捕获微孔的尺寸等于或者略大于第一捕获目标悬液12中第一捕获目标17的尺寸，第二捕获微孔4的尺寸等于或者略大于第二捕获目标悬液14中第二捕获目标18的尺寸。
第一捕获微孔3和第二捕获微孔4的尺寸为10-500μm；第一捕获微孔(3)和所述第二捕获微孔(4)的截面形状为圆形或者n边形，n≥3。
以第一捕获微孔3为细胞捕获微孔、第二捕获微孔4为微球捕获微孔为例，第一捕获目标悬液12为细胞悬液、第二捕获目标悬液14为微球悬液为例，第一捕获目标3为细胞、第二捕获目标4为微球为例来说明。
参阅图2C，其中，第一捕获微孔3设置在第二捕获微孔4的下方，第二捕获微孔4的尺寸大于第一捕获微孔3的尺寸。其中，复合微腔2包含一个细胞捕获微孔和一个微球捕获微孔，微球捕获微孔在细胞捕获微孔上方，细胞捕获微孔用于捕获细胞悬液中的单细胞，微球捕获微孔用于捕获微球悬液中的单微球。
参阅图2D，以复合微腔2中包括储液区11，储液区11设置在第一捕获微孔3和第二捕获微孔4的上方，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4互不连通，储液区11的尺寸大于第一捕获微孔3和第二捕获微孔4的尺寸。复合微腔2中的储液区11可以储存反应试剂15。其中，储液区11的尺寸大于细胞捕获微孔和微球捕获微孔的尺寸，细胞捕获微孔和微球捕获微孔互不连通。复合微腔2中的储液区11储存反应试剂15，反应试剂15可以为细胞裂解剂，在此不对其做具体限制。
参阅图2E，复合微腔2包括连接通道5，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4通过连接通道5连通，第二捕获微孔4的尺寸大于第一捕获微孔3的尺寸，且第二捕获微孔4的深度大于第一捕获微孔3的深度，连接通道5的尺寸小于第一捕获微孔3的尺寸。具体实施例中，复合微腔2包括细胞捕获微孔、微球捕获微孔和连接通道5，其中细胞捕获微孔和微球捕获微孔之间通过连接通道连通。细胞捕获微孔在复合微腔2中的深度小于微球捕获微孔在复合微腔2中的深度，连接通道5的尺寸小于细胞捕获微孔的尺寸，其中，连接通道5用于细胞捕获微孔捕获的单细胞以及微球捕获微孔捕获的单微球之间的物质交换，细胞捕获微孔捕获的单细胞裂解后，细胞内容物通过连接通道5到达微球捕获微孔，使得微球特异性吸附目标分子。
复合微腔2在复合微腔阵列1中的排列方式为并列排布或者六角排布。
本发明第二实施例示出了基于复合微腔阵列的捕获芯片的捕获方法，参阅图3-6，对该捕获方法进行详细说明，方法包括以下操作：
本实施例中第一捕获目标悬液12以细胞悬液、第二捕获目标悬液14以微球悬液、第一捕获微孔3以细胞捕获微孔、第二捕获微孔4以微球捕获微孔、第一捕获目标17以细胞、第二捕获目标18以微球为例。其中，第一捕获目标悬液12和第二捕获目标悬液14可在包含有复合微腔阵列1的基片与盖片6闭合前通过离心或者重力沉降引入捕获芯片，也可以通过包含有复合微腔阵列1的基片与盖片6闭合后通过流体通道9引入捕获芯片。
S1：通入第一捕获目标悬液12或第二捕获目标悬液14中的一种悬液。
当复合微腔2中第二捕获微孔4设置在第一捕获微孔3的上方，在本实施例中为微球捕获微孔设置在细胞捕获微孔的上方时，先通入细胞悬液，由于细胞捕获微孔的尺寸等于或略大于细胞的尺寸，因此在重力作用下，细胞捕获微孔仅能捕获单细胞。当复合微腔2包括储液区11，储液区11设置在第一捕获微孔3和第二捕获微孔4的上方，并且第一捕获微孔3和第二捕获微孔4之间互不连通时，或者当复合微腔2中包括连接通道5，第一捕获微孔3和第二捕获微孔4通过连接通道5连通时，则先通入第二捕获目标悬液14即微球悬液，由于细胞捕获微孔的尺寸小于微球捕获微孔的尺寸，微球捕获微孔的尺寸等于或略大于微球的尺寸，因此微球捕获微孔仅能捕获微球。
S2，通入缓冲液13，以使得第一捕获微孔3或第二捕获微孔4捕获一种悬液中的捕获目标。
通入缓冲液13，当先通入细胞悬液时，缓冲液13流经微球捕获微孔，去除微球捕获微孔中多余的细胞；当先通入微球悬液时，缓冲液13去除储液区11和流体通道9中多余的微球。
S3，通入第一捕获目标悬液12和第二捕获目标悬液14中的另一种悬液。
通入与S1中相对应的另一种悬液，当通入微球悬液时，由于微球捕获微孔的尺寸等于或略大于微球的尺寸，因此微球捕获微孔捕获单微球；当通入细胞悬液时，在重力的作用下，细胞捕获微孔捕获单细胞。
S4，通入反应试剂15，以使得第一捕获微孔3或第二捕获微孔4捕获另一种悬液中的捕获目标。
通入反应试剂15，去除流通通道9中多余的微球和细胞，复合微腔2配对捕获单细胞和单微球。
S5，通入矿物油16并充满流体通道9。
由于矿物油16的密度小于水相试剂的密度，因此矿物油16充满流体通道，使流体通道中的复合微腔2之间互相隔离。
本实施例中，微球为修饰有荧光或带核酸标签的、具有唯一性的金属、聚苯乙烯或水凝胶微球，使得具有唯一标签的微球吸附上单细胞的信息，从而单细胞和单微球能够高效率、特异性的配对捕获。
复合微腔阵列基片1和盖片6密封前，单细胞或单微球通过重力沉降或离心的方法进入复合微腔阵列基片1。复合微腔阵列基片1和盖片6密封后，液体通过流体通道9进入复合微腔2内，复合微腔2内为包含细胞或微球悬液的水相，流体通道9内为包含矿物油的油相；，矿物油密封流体通道9中的各个复合微腔2。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于复合微腔阵列的捕获芯片，包括：
至少一个复合微腔(2)，每一所述复合微腔(2)包括第一捕获微孔(3)和第二捕获微孔(4)，所述第一捕获微孔(3)和所述第二捕获微孔(4)具有不同尺寸，其中，所述第一捕获微孔(3)为细胞捕获微孔，所述第二捕获微孔(4)为微球捕获微孔；
流体通道(9)，用于供第一捕获目标悬液(12)或第二捕获目标悬液(14)流入并通往所述复合微腔(2)，以通过所述第一捕获微孔(3)捕获所述第一捕获目标悬液(12)中的具有第一预设值的第一捕获目标(17)，并且，通过所述第二捕获微孔(4)捕获所述第二捕获目标悬液(14)中的具有第二预设值的第二捕获目标(18)；
所述微球为修饰有荧光或带核酸标签的、具有唯一性的金属、聚苯乙烯或水凝胶微球，使得具有唯一标签的微球吸附上单细胞的信息；
其中，所述复合微腔(2)还包括储液区(11)，所述储液区(11)设置在所述第一捕获微孔(3)和所述第二捕获微孔(4)的上方，所述储液区(11)的尺寸大于所述第一捕获微孔(3)以及所述第二捕获微孔(4)的尺寸；所述储液区(11)用于储存反应试剂(15)；
所述流体通道(9)内为包含矿物油的油相；
所述复合微腔(2)还包括连接通道(5)，所述第一捕获微孔(3)和所述第二捕获微孔(4)通过所述连接通道(5)连通，所述第二捕获微孔(4)的尺寸大于所述第一捕获微孔(3)的尺寸，且所述第二捕获微孔(4)的深度大于所述第一捕获微孔(3)的深度，所述连接通道(5)的尺寸小于所述第一捕获微孔(3)的尺寸；所述连接通道(5)用于细胞捕获微孔捕获的单细胞以及微球捕获微孔捕获的单微球之间的物质交换。
2.根据权利要求1所述的基于复合微腔阵列的捕获芯片，其中，所述至少一个所述复合微腔(2)形成复合微腔阵列(1)，所述复合微腔阵列(1)中的所述复合微腔(2)为并列排布或六角排布。
3.根据权利要求1所述的基于复合微腔阵列的捕获芯片，其中，所述捕获芯片包括盖片(6)，盖片(6)包括有流体入口(7)、流体出口(8)和支撑结构(10)，所述支撑结构(10)用于支撑所述盖片(6)，使得所述盖片(6)覆盖在所述复合微腔(2)上，并使得所述盖片(6)和复合微腔(2)之间形成所述流体通道(9)。
4.根据权利要求1所述的基于复合微腔阵列的捕获芯片，其中，所述第一捕获微孔(3)和所述第二捕获微孔(4)的尺寸为10-500μm。
5.根据权利要求1所述的基于复合微腔阵列的捕获芯片，其中，所述第一捕获微孔(3)和所述第二捕获微孔(4)的截面形状为圆形或者n边形，n≥3。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于复合微腔阵列的捕获芯片的捕获方法，包括：
S1，通入所述第一捕获目标悬液(12)和所述第二捕获目标悬液(14)中的一种悬液；
S2，通入缓冲液(13)，以使得所述第一捕获微孔(3)或所述第二捕获微孔(4)捕获所述一种悬液中的捕获目标；
S3，通入所述第一捕获目标悬液(12)和所述第二捕获目标悬液(14)中的另一种悬液；
S4，通入反应试剂(15)，以使得所述第一捕获微孔(3)或所述第二捕获微孔(4)捕获所述另一种悬液中的捕获目标；
S5，通入矿物油(16)并充满所述流体通道(9)。
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